衛星を退役させるのは誰ですか?スペースタグ！

ほとんどすべての港で、奇妙な種類の船を見ることができます。船体は小型で、船首楼が高く、船尾は平らです。これらの船には超強力なエンジンが搭載されています。船自体には貨物や人を運ぶことはできませんが、巨大な船を牽引して出入りさせることができます。それらはタグボートです。今、彼らには宇宙に兄弟がいる。これらの宇宙タグは宇宙船を月や火星まで牽引することができるかもしれない。

ランチャーのスペースタグ

スペースタグは何に使用されますか?

従来の衛星打ち上げでは、軌道変更、つまり衛星の軌道を変更する必要がしばしばあります。場合によっては、ロケットは衛星を特定の高度または傾斜角までしか送ることができず、その後は衛星が自身のエンジンに頼って徐々に所定の軌道に移動する必要があります。これは、衛星を静止軌道に打ち上げるときに最も顕著になります。

さらに、衛星が特定の軌道でミッションを完了した後、別の軌道に移動しなければならない場合もあります。衛星がミッションを完全に完了し、退役する準備ができたら、軌道上のゴミになることを避けながら、その軌道位置を後継衛星に引き継ぐために墓場軌道に引きずり込む必要があります。

従来、この作業は衛星自体のエンジンによって行われてきました。静止軌道衛星のアポジエンジンは、衛星を同期トランスファー軌道から静止軌道に送るために使用される装置です。

しかし、このような大型の軌道変更エンジンを衛星に搭載することは大きな負担となります。打ち上げ当時は衛星の一部としてロケットで宇宙に送り出されました。衛星の飛行時間の大部分の間、軌道変更エンジンはアイドル状態にあります。軌道維持の作業には、必ずしも高推力の軌道変更エンジンは必要ありません。衛星の寿命が尽きると、衛星とともに墓場軌道へと向かいます。人生の中で、変化を起こすために残された時間はあまりありません。軌道変更エンジンも相当量の燃料を搭載する必要がある。衛星の寿命が尽きたときに、燃料が使い切られていない場合は無駄になってしまいます。

ご存知のとおり、人間が宇宙に送り込む重量の1グラム1グラムは非常に貴重です。軌道変更エンジンと衛星を分離し、他の宇宙船を使用して目的の軌道まで牽引する方法はありますか?航空宇宙科学者たちは、軌道上に展開される強力な推力を持つ宇宙船であるスペースタグの概念を検討してきた。通信、リモートセンシング、ナビゲーションのペイロードはなく、その唯一の用途は港での強力なタグボートのようなもので、他の船舶の港への入港や出港を助け、故障した船舶を救助することだ。

その結果、近年では商業用宇宙タグボートが新興ビジネスとして浮上しています。航空宇宙メディアで「Spacetug」というキーワードを検索すると、オーストラリアの「Space Machine Company」、米国の「Space Flight Company」、「Vector Company」など、いくつかの知られていない企業が出てきます。

スペースマシーンズのタグボート提案

初期の宇宙タグボートはどのようなものだったのでしょうか?

宇宙タグの概念が 1940 年代にすでに登場していたことを知る人はほとんどいません。エリック・フランク・ラッセルは、1942 年の短編小説「円の描写」でこの概念を考案しました。この小説には中国語版はなく、作者自身も不明である。しかし、彼は「スペースタグ」という言葉を発明した。また、第二次世界大戦後にこの概念を提唱したのは SF 作家のマレー・レンスターだと考える人もいます。彼は『スペース・プラットフォーム』の続編となる『スペース・タグ』という小説を出版した。しかし、ラッセルの考えは確かにもっと早かったようです。

『円を描く』の中で、ラッセルは四臭化ウランを燃料とする宇宙船ニュージャージーが小惑星ヘクターの植民地に到達しようとしている様子を想像した。この小惑星は木星のトロヤ群小惑星の中で最大のものである。しかし、小惑星コロニーの法律により、外国の宇宙船は100キロメートル以上離れた軌道上でエンジンを始動することはできないため、コロニーは原子力タグボート「ブルータス」を派遣して宇宙船を回収した。ブルータスは核熱ロケットエンジンを使用しており、核分裂物質が溶融石英チャンバー内に密封されているため、核電球と呼ばれています。ラッセルは、2機の原子力宇宙船のドッキング方式についても思慮深く構想した。2機の原子力宇宙船は機首同士が接触する必要があり、原子炉を搭載した動力部分は遠くの保護カバーの後ろにあり、コックピットに直接面することはできない。

これらの初期のコンセプトによれば、宇宙タグボートは、港のタグボートのコンセプトによく似た、不釣り合いに大きなエンジンとマニピュレーターを備えた小型の有人船でした。タグボートには、物体を推進させる方法が 2 つあります。押し込めば船首に巨大なスラストプレートが設置され、エンジンの推力をスラストプレートに伝えるための構造コアが備わります。牽引する場合は、船尾にケーブルとウインチがあり、牽引されている宇宙船が燃えないようにエンジンを一定の角度に傾けて後方に噴射する必要があります。しかし、この場合には推力がわずかに低下します。

スペースタグとは一体何でしょうか?

今日では、スペースタグの定義はより明確になっています。それは、宇宙にある物体をある軌道から別の軌道に移動させることができる宇宙船です。たとえば、宇宙船を低地球軌道 (LEO) から静止トランスファー軌道、月トランスファー軌道、脱出軌道などのより高い軌道に移動させることです。

一般的に、スペースタグとは再利用可能な宇宙船を指します。ロケットの上段をスペースタグと呼ぶ人もいます。上段はロケットの一部であり、中国の元正1号上段、米国のセントール上段、ロシアのブリーズ上段など、1つのロケットで複数の衛星打ち上げミッションを実行するためによく使用されます。ただし、上段の使用時間も制限があります。すべての衛星が所定の軌道に入ると、上段のミッションは完了します。現時点では、構造、燃料タンク、スラスタ、姿勢・軌道制御システムなど、上段のほとんどの構成部品は良好な状態です。ただ宇宙に捨ててしまうのはちょっともったいないですね。支持者によってスペースタグとして分類される新しいコンセプトの宇宙船もあります。それはノースロップ・グラマン社が打ち上げた静止衛星寿命延長ロケット（MEV）です。使用される技術は、宇宙タグボートと多くの類似点があります。

軌道上サービスはタグボートに分類されることもある

しかし、ロケットの上段や衛星寿命延長装置、スペースタグなどの宇宙船の間にはまだ違いがあります。スペースタグとは、単に宇宙船を異なる軌道間、あるいは異なる天体間で牽引する装置です。適切な場所まで曳航されると、港内の強力なタグボートのように、2つは分離します。

スペースタグは現在どのように発展していますか?

21世紀に入ってから、多くの企業が宇宙タグボートの開発に取り組んできました。パロムと呼ばれる宇宙タグボートのコンセプトは、2005年にロシアのエネルギー会社によって提案されました。当時、ロシアは「クリッパー」と呼ばれる新世代の有人宇宙船の開発を検討していました。パロムタグボートにより、クリッパーは燃料なしで宇宙まで到達することができ、トランスファー軌道に入った後、タグボートによって国際宇宙ステーションに送られる。これにより、打ち上げコストを削減できます。 2015年、ロッキード・マーティンはNASAに、ロッキード・マーティンの以前の宇宙船2機、火星大気および揮発性物質進化ミッションとジュノーの設計に基づき、カナダのMDAのロボットアームを搭載したジュピターと呼ばれる宇宙タグボートのコンセプトを提案した。しかしNASAは資金提供せず、ロッキード・マーティンは諦めた。

これらのモデルが成功しなかったのは、宇宙打ち上げがそれほど頻繁ではなく、商業打ち上げ市場が成熟していなかったため、宇宙タグは十分な顧客を見つけることができず、開発と運用の基盤がなかったためです。

最近では、さまざまなロケットの打ち上げが頻繁に行われており、宇宙打ち上げはますます飛行操作に似たものになりつつあります。ファルコン9ロケットは年間40回以上、ほぼ週1回の打ち上げを達成しており、将来的には週2回の打ち上げも可能になるかもしれない。他国が開発中の商業飛行を実現する可能性のあるロケットと合わせると、今後数年間で1日に数回のロケット打ち上げが行われる可能性が非常に高い。

ロケットの打ち上げの場合、理想的な方法は、衛星を特定の軌道面に送り、その後、他の方法を使用して、衛星を所定の軌道に送ることです。これにより、ロケット飛行の効率が大幅に向上します。衛星を本来の軌道から所定の軌道へと絶えず牽引し、軌道上で長期間運航するタグボートがあったら、それは儲かるビジネスになるのではないでしょうか。

このようなサービスは多くの港で利用できます。多くの大型船は、その大きさと操縦性の悪さから、港への入港時や出港時に衝突する傾向があります。このとき、指定された場所まで正確に運ぶためにはタグボートが必要になります。海上で船が事故に遭った場合、救助するためにタグボートも必要になります。動力を失った船舶の中には、長距離を航行したい場合、高出力のタグボートでしか曳航できないものもあります。船が解体されて解体場に送られるときには、船を浜辺まで押し出すためのタグボートも必要になります。宇宙タグボートも同じ作業を実行できますが、場面は宇宙に変更されます。

これは、航空宇宙技術そのものの観点から言えば、軌道上で長期間稼働する上段ステージを設置し、それを多数の衛星で共有して使用するということに等しい。各衛星の所有者は、完全な軌道変更エンジン システムや上段を購入する必要がなく、飛行の自分の部分に対してのみ料金を支払う必要があります。考えてみると、かなりコストパフォーマンスが良いですね。

その結果、多くの新興企業が「宇宙​​タグサービス」というコンセプトを提案し、衛星所有者に衛星の展開と保守におけるより大きな柔軟性を与えることを期待している。

商業的なラストマイル配送サービスであると言われているスペースタグに対する市場の需要があります。 「スペースタグは小型衛星市場を根本的に変える可能性を秘めている」とスペースフライト社のエンジニアリング担当副社長フィル・ブラッケン氏は語った。 「このサービスにより、これまでアクセスできなかった軌道が衛星所有者にとって実行可能な選択肢となり、軌道の多様性に対する市場の需要の高まりに応えることになる。」

近年、多数の小型衛星が軌道上に打ち上げられていますが、小型衛星の顧客のほとんどは技術の実証や検証を行っているだけです。大規模な衛星群を所有する企業の中には、衛星群を展開するために大型ロケットサービスを購入する企業もあります。しかし、多くの小型衛星は、最高の収益を生み出すサービスを提供するために、非常に特殊な軌道に到達する必要があります。この「極限の最終軌道状態」は、ピギーバック打ち上げサービス、ライドシェア打ち上げサービス、または専用の小型打ち上げロケットのいずれによっても達成できないため、スペースタグの機会が提供されます。

さらに、宇宙ゴミの削減や古くなった衛星の軌道離脱のために、宇宙タグの需要もあります。いくつかの企業はすでに、ゆりかごから墓場まで宇宙タグサービスを提供する意向を表明している。

宇宙タグは軌道上のゴミの除去に使用できる可能性がある

例えば、アメリカの宇宙飛行会社は「シェルパ」と呼ばれるシステムを開発しました。これは実際には推進システムと動力システムを備えた上段に似たモデルです。 2018年12月、シェルパはファルコン9ロケットに乗って初飛行し、17か国から64機の小型衛星を配備した。しかし、これは再利用可能なタグボートというよりは上段に近いものです。

シェルパの宇宙タグは上段のようなもの

イタリアの宇宙物流・輸送会社D-Orbitは、InOrbitNOW（ION）衛星車両を開発した。同社は2022年5月25日、ファルコン9ロケットに搭載されたトランスポーター5ミッションで6機目の宇宙船「インフィニット・ブルー」を打ち上げた。

スペースタグの場合、衛星は打ち上げ後に待機軌道に入り、その後タグによって所定の軌道に送られます。このようなサービスにより、所有者は衛星自体の軌道変更能力を削減したり、軌道変更能力を完全に無視してタグボートに完全に依存してコストを削減したりすることができます。

「スペースタグは小型衛星市場を根本的に変える可能性を秘めている」とスペースフライトのエンジニアリング担当副社長フィル・ブラッケン氏は語った。 「軌道上推進能力があれば、これまではコストや推進能力の理由でアクセスできなかった軌道も実行可能な選択肢となり、軌道多様化に対する市場の需要の高まりに応えることになるだろう。」

耐久性のある宇宙タグにはどのような燃料を使用すべきでしょうか?

長期運航タグボートであるため、無水ヒドラジンなどの消費が早い化学燃料の使用は不可能です。宇宙タグには、補充を必要とせずに何年も持続できる形のエネルギーが必要になる。これまでのところ、このような要件を満たす技術的な手段は 2 つあります。 1 つ目は電気ロケットエンジン、2 つ目は原子力エンジンです。もちろん、これら 2 つのテクノロジには重複がある可能性があります。電気ロケットエンジンは私たちにとって非常に身近なものです。これらは太陽エネルギーや原子力エネルギーを利用して電力を供給し、イオンを高速で放出することで推進力を生み出します。このタイプのエンジンの問題点は、推力が 1 ニュートンか 2 ニュートンと比較的小さいことです。衛星の牽引に使用する場合は比較的長い時間がかかるため、衛星の運用開始を急いでいないお客様に適しています。原子力にも2つの種類があります。 1 つは、同位体電池を使用してイオンエンジンで使用する電気を生成することです。もう1つは、原子炉を使用して水などの媒体を非常に高い圧力で気体状態に加熱し、毎秒9,000メートル以上の速度で噴射する核熱ロケット発電機です。核熱ロケットエンジンの比推力はイオンエンジンの比推力よりもはるかに小さいですが、達成できる総推力は非常に大きいです。例えば、ロシアが提案したVASIMRプラズマロケットは、月への往復に必要なアルゴン燃料はわずか9トンで、地球低軌道から月低軌道まで34トンの貨物を輸送します。

宇宙タグボートは一般的にイオンエンジンを使用する

宇宙タグがどのようにして衛星を牽引するかも、解決すべき技術的な問題です。廃棄のために衛星を墓場軌道まで牽引したいだけなら、タグボートにマニピュレータ一式を設置し、そのマニピュレータを使って古い衛星を無差別につかみ、エンジンを始動して出航すればよいのです。しかし、新しい衛星を実用軌道に送りたい場合、マニピュレーターの乱暴な操作によって衛星が損傷する可能性があります。したがって、後者の目的のために標準化されたインターフェースを設計し、ロボットアームまたはその他のコネクタを使用してタグボートをサービス対象の衛星に安全に接続し、目的の軌道まで牽引できるようにする必要があります。これは実際には協力的な目的のための宇宙でのランデブーとドッキングです。この問題に関しては、有人宇宙船モジュールのドッキングは、多くの技術的参考資料を提供することができます。特に、宇宙ステーションのロボットアームとモジュールコンポーネント間の標準化されたインターフェースの使用は、ロボットアームがモジュールを転送するための良好な条件を提供します。

宇宙タグが航空宇宙産業全体にサービスを提供するためには、業界が普遍的に適用可能なインターフェースを標準化する必要があります。この作業はまだ完全に議題に上がっていません。業界の一般的なルールによれば、この問題は商業競争を通じて決定される必要があります。